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Eine kreislaufgerechte Architektur : Lebenszyklusbetrachtungen alternativer Tragwerksentwürfe am Beispiel der ETA-Fabrik

Lang, Frank :
Eine kreislaufgerechte Architektur : Lebenszyklusbetrachtungen alternativer Tragwerksentwürfe am Beispiel der ETA-Fabrik.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Eine kreislaufgerechte Architektur : Lebenszyklusbetrachtungen alternativer Tragwerksentwürfe am Beispiel der ETA-Fabrik
Language: German
Abstract:

Lange Zeit war die Frage nach der grauen Energie von Gebäuden nur ein Randthema in der Debatte um deren Nachhaltigkeit. Im Zentrum stand ihre energetische Performance, nicht aber die Frage, wie möglichst sparsam mit der in ihren Bauteilen gebundenen Energie umgegangen werden kann. In den letzten Jahren rückte die Frage nach der grauen Energie von Gebäuden zunehmend in den Mittelpunkt des Interesses. Hierfür gibt es drei Gründe. 1. Man kann die graue Energie eines Bauwerks mittlerweile relativ gut bemessen und somit auch beurteilen. Hierfür stehen Methoden und Datenbanken zur Verfügung, die selbst ein ungeübter Laie nutzen kann. Graue Energie wird zu einer sichtbaren Größe von Bauwerken. 2. In der Bautechnologie sind wesentliche Fortschritte gemacht worden. Das Verhältnis von operativer zu grauer Energie über den Lebenslauf eines Gebäudes betrachtet hat sich entscheidend verändert. 3. Gemeinsame klimapolitische Anstrengungen in Europa lassen hoffen, dass in Zukunft ein Großteil der Verbrauchsenergie von Gebäuden tatsächlich regenerativ gewonnen werden könnte. Das ändert den Blick auf Energie. Plötzlich ist Energie nicht mehr gleich Energie. Mit regenerativ gewonnener Energie kann sorgloser umgegangen werden, als mit in Ressourcen gebundener Energie. Ein sorgsamer Umgang mit grauer Energie, erfordert ein Denken in Kreisläufen. In der Produktindustrie Gang und Gebe, ist dies eine durchaus ungewohnte Form, Architektur zu denken. Will man Architektur recyceln, muss man die Lebenszeit eines Bauwerks und damit auch sein Ende planen. So muss Architektur unter der Prämisse des Recycelns immer als Architektur auf Zeit verstanden werden. Will man das Denken in Kreisläufen auf die Architektur übertragen, so steht also das Verhältnis von Zeit und Architektur auf dem Prüfstein. Den ersten Teil der Arbeit bildet daher ein Exkurs in die Architekturtheorie, der das besondere Verhältnis von Architektur und Zeit skizziert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der praktischen Fragestellung, die sich hinter dem Begriff einer kreislaufgerechten Architektur verbirgt. Wie kann die Eigenschaft ‘kreislaufgerecht’ beschrieben und dargestellt werden? 
Welche Mittel und Methoden stehen hierfür zur Verfügung und mit welchen Entwurfsstrategien kann ich sie gestalten? Ziel ist es, die Grundlagen einer Lebenszyklusplanung, wie sie Architekten heute zur Verfügung steht zu erläutern. Dies wird exemplarisch am Entwurfsprozess eines konkreten Fallbeispiels untersucht. Bei der ETA-Fabrik, welche hier als Untersuchungsgegenstand dient, handelt es sich um ein Forschungs- und Demonstrationsobjekt, das an der TU Darmstadt von Maschinenbauingenieuren gemeinsam mit Bauingenieuren und Architekten an der TU Darmstadt entwickelt und errichtet wurde. Das Kürzel ETA steht dabei für Energieeffizienz-, Technologie- und Anwendungszentrum. Eine industrielle Produktionsanlage soll unter Einbeziehung aller Teilsysteme, von den einzelnen Maschinen bis hin zur Gebäudehülle, analysiert und optimiert werden, indem die Synergieeffekte, die durch die Verknüpfung der Energiekreisläufe miteinander entstehen, ausgeschöpft werden. Für die Konzeption des Bauwerks waren zwei Grundüberlegungen ausschlaggebend: 1. Für die Verknüpfung von Gebäude und maschineller Prozesskette sollte eine an ihren Innen-, wie Aussenflächen thermisch-aktive Gebäudehülle entwickelt werden, die in der Lage ist, Wärme aus ihrer unmittelbaren Umgebung aufzunehmen, an ein Speichersystem zu übergeben und gegebenenfalls zu einem anderen Zeitpunkt wieder abzugeben. 2. Vor dem Hintergrund der im Durchschnitt relativ kurzen Standzeiten von Industriebauten, sollten Tragwerk und Hülle als ‘kreislaufgerechte’ Konstruktion entwickelt werden. Dies bedeutete: eine möglichst homogene Bauweise, sowie ein konsequent modularer Aufbau des Tragwerks. Entwickelt wurde ein intergratives Tragwerk, das aus großformatigen modularen Elementen aufgebaut ist, so dass sich die Halle schrittweise erweitern bzw. rückbauen lässt. Der Wandaufbau wurde als eine Art Sandwichkonstruktion aus unterschiedlichen Betonwerkstoffen konzipiert. In der vorliegenden Untersuchung wird zum einen evaluiert, inwiefern das zur Realisation gekommene Tragwerk der Forschungsfabrik tatsächlich als ‘kreislaufgerecht’ eingestuft werden kann. Zum anderen wird untersucht, welche Rückschlüsse allgemeiner Art für den Entwurf von ‘kreislaufgerechter’ Architektur gezogen werden können. In der Arbeit wird zudem eine graphische Methode entwickelt, wie mittels des Verhältnisses von verbrauchter (grauer) Energie je Zeiteinheit das Verhalten von Tragwerken und Bauwerken im Allgemeinen in ihren Stoff- und Energiekreisläufen dargestellt werden kann. Anhand dieser Methode werden die entwickelten Tragwerksalternativen unter ausgewählten Lebenszyklusszenarien miteinander verglichen und bewertet.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
For quite a while the embodied energy of a building was only of marginal importance in the discussion about its sustainability. The focus was on its energetic performance not on the question of how to efficiently deal with the energy embodied in its structural components. But lately the aspect of embodied energy of buildings has increasingly become pivotal. Three reasons can be given for this fact. 1) Nowadays a relative accurate measurement of embodied energy can be provided so that its value can be judged. There are methods and data-files at hand that even the unexperienced can make use of. Embodied energy has become an accountable quality of buildings. 2) Essential progress has been made concerning the technology of construction. The proportional difference of operative and embodied energy in relation to the lifespan of a building has significantly changed. 3) Common European endeavours in climate policy will hopefully lead to a situation where a large part of the energy consumed by buildings might actually be provided by renewable energy. That would fundamentally change our understanding of energy. Energy would not just be energy. Renewable energy could be made use of with much less reservations than energy bound in other ressources. If we want to make embodied energy a responsibly calculated factor in our architectural work we have to include into our way of thinking the fact that each building is subject to a life cycle. This is a familiar mindset to anybody working in production-industry but it is a new way of contemplating architecture. If you want to recycle architecture you'll have to calculate the lifespan of a building and also its destruction. Architecture has thus to be understood as something restricted to a timeline. To put it more directly: if we start to talk about life-cycles in the realm of architecture we have to clarify the relation that exists between architecture and time. The first part of this study therefore contains a survey on / a summary of some fundamental thoughts from the history of architectural theory that try to outline the special relation between architecture and time. The second part deals with practical questions that go with an architecture anticipating a life-cycle-oriented architecture. How can we accurately define and communicate a life-cycle-oriented architecture?What means and methods are at hand for such a task and what design strategies could be used. The aim is to clarify the basic principles architects today can use when designing a building in a life-cycle-oriented way. This will then be exemplified by referring to the design process for a concrete building project. The ETA-Factory that serves as model for our treatise was built for purposes of research and demonstration by mechanical engineers together with civil engineers and architects at the TU Darmstadt. The acronym ETA stands for "energy-efficiency", "technology" and ”application-center". An industrial production line was to be analysed and energetically optimized, including all its different parts from its machinery up to the construction serving as its shell. Extensive use can thus be made of all the synergy effects that are generated by the combination of the different cycles of energy. Two fundamental considerations were of crucial importance for the conceptual designing of the building. In order to link the building with the machinery of the production line a building shell had to be developed with a thermal active surface (both inside and outside) so that it would be able to collect thermal energy from its environment and deliver it to a storage system which could release it again at some later time. Given the fact that industrial buildings usually have a relatively short lifespan, the shell and the supporting structure of the building had to be built in a life-cycle-oriented way. This meant: a construction method that was as homogeneous as possible as well as a modular structural system. An integrative structural system was developed that consists of large-sized modular elements, so that the size of the factory workshop can be step by step enlarged or reduced. The wall itself is structured like a sandwich made of different layers of concrete. The study at hand tries to evaluate in how far the structural system of the research-factory that was carried out can really be considered to be classified as life-cycle-oriented. Apart from that it tries to investigate what conclusions can generally be drawn from this experience for the design of life-cycle-oriented architecture. The study furthermore developed a graphical method to measure how buildings or structural systems perform within their material and energetic cycles by depicting how much embodied energy is being used per time-unit. Using this method the alternative designs for the structural system of the ETA factory are compared and evaluated considering different life-cycle-scenarios.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 700 Künste und Unterhaltung > 720 Architektur
Divisions: 15 Fachbereich Architektur > Fachgruppe C: Konstruktion
Date Deposited: 27 Oct 2016 10:55
Last Modified: 27 Oct 2016 10:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57219
Referees: Eisele, Prof. Dr. Jo and Lorch, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 27 October 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5721
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